信号反射的几个基本问题分析

2019-10-16 22:29:23 7759 信号完整性信号

0 本帖最后由剑侠蜀山于 2019-10-16 22:31 编辑 1 为什么中间测试点波形有回沟或台阶问题描述：测试时，通道中间测试到的波形有回沟，而终端测试的波形却没问题，如图1。原因：信号的不同次谐波因为波长不同，在路径上的同一点经相同的路径后会出现不同的相位漂移，测试点所在位置使得相位变化后的谐波合并在一起恰好出现了台阶或回沟的现象。图1 中间测试点与终端测试波形使用ADS2016进行仿真，仿真环境如图2所示，即： l 末端高阻（开路）； l 两段微带线，阻抗50ohm，第一段长度60mil，第二段长度1000mil； l 源端内阻20ohm，发送1GHz方波；图2 中监测试点回沟问题ADS仿真环境根据傅里叶变换，1GHz方波可分解为幅值不同的多次谐波（正弦波）。考虑到一般方波的能量均集中在1次、3次、5次谐波，故1GHz方波通过幅值为1V的1GHz正弦波、幅值为0.3V的3GHz正弦波、幅值为0.1V的5GHz正弦波累加获得，三个正弦波波形如图3，累加的波形如图,4所示。图3 1GHz的1次、3次、5次谐波波形图4 三次谐波合成的方波波形图4中合成的方波经60mil和1000mil的两端微带线传输至接收端，将两端线段入口、中间、出口三个点设置为V4、V5、V6，测试波形如图5所示。从图中可以看出，中间节点V6出现台阶波形。图5 V4，V5，V6波形对3个谐波进行分别分析，先看1GHz谐波。测试点V6测得的波形为入射波和反射波的迭加，对于1GHz谐波来说，末端全反射，故入射波与反射波幅值相等，而反射波比入射波多走1000mil（0.167ns）距离，也就是1/6波长，故在测试点处，入射波与反射波相位差为60度。图6 1GHz谐波入射与反射波形对于3GHz谐波，在测试点处入射波与反射波相差1/2波长，即相位相差180度，故3GHz谐波分量在测试点处基本上被全部衰减，如图7。图7 3GHz谐波入射与反射波波形对于5GHz谐波来说，测试点处入射与反射波的相差5/6波长，相位相差300度，如图8所示。图8 5GHz谐波入射与反射波形 1GHz、3GHz、5GHz三个谐波累加的波形如图9所示，从图中可以看出，三个谐波在测试点处的入射和反射波累加与实测测试点处波形吻合。图9 三个谐波累加波形综上可知：信号传输路径中间测试点有时候会测试到台阶或回沟，是因为测试点所在位置的各次谐波入射与反射波迭加，恰好生成了台阶或回沟。除中部测试点可能出现信号台阶或回沟外，在源端、终端也可能会因为多次谐波反射问题而形成台阶或回沟，此时需要调整阻抗匹配和线长，避免路径长度与主要谐波的1/4 波长的奇数倍相当。 2 为什么串联端接时，源端信号有台阶串联端接时，在源端测得的信号波形都会存在一个台阶，如图10所示。图10 发射端信号出现台阶原因是：串联端接时，接收端的反射信号未返回源端之前，发送端的内阻与走线特性阻抗、端接电阻之间存在分压，全反射信号返回至发射端后，发射端电压才能继续升高。使用ADS2016进行仿真，仿真环境如图11所示，即： l 末端高阻（开路）； l 一端微带线，阻抗50ohm，长度6000mil； l 源端内阻20ohm，端接电阻30ohm；图11 串联端接仿真原理图观察台阶电压，电压值为Vin3=1.5V，另外，考虑传输线理论，在信号刚发出时只能感受到传输线的阻抗，故在传输线与发送端接口处应该是分压关系，猜测可能是Vin3=VR4/（R4+Rz) 修改R4=10ohm，Rz=50ohm，Vin3= VR4/（R4+Rz)=1.67V，观察Vin1的波形如图12所示，Vin3=1.667V 图12 R4=10ohm，Rz=50ohm时Vin3波形修改R3=50ohm，Rz=60ohm，R4=10ohm，Vin3= VR4/（R4+Rz)=1.71V，观察Vin1的波形如图13所示，Vin3=1.71V 图13 R3=50ohm，Rz=60ohm，R4=10ohm时Vin3波形以图13为例说明阻抗变化过程： 1) 信号起始阶段的0.2ns内，经传输线TLD3的反射信号还未达到发射端，故信号幅值为Vin3= VR4/（R4+Rz)=1.71V； 2) 信号0.1ns后到达vin1位置，在该位置感受到的前方阻抗为R3+Rz（因为R3理想情况下无长度），故发生正反射，反射幅值为Vf1=Vin3（R3+Rz-Rz）/（R3+Rz+Rz）=0.503V； 3) 正反射得到的Vf1经0.1ns后再次返回Vin3位置，在该位置感受到的前方阻抗为R4，故发生负反射，反射幅值为Vf2=Vf1（R4-Rz）/（R4+Rz）=-0.359V，故0.2ns时Vin3=Vin3+Vf1+Vf2=1.85V； 4) 同二，Vf2再经过0.1ns返回至Vin1位置，发生正反射，反射幅值为Vf3= Vf2（R3+Rz-Rz）/（R3+Rz+Rz）=-0.127V； 5) 同3，Vf3再次经过0.1ns返回至Vin3位置，发生负反射，反射幅值为Vf4= Vf3（R4-Rz）/（R4+Rz）=0.0907V，故0.4ns时Vin3= Vin3+Vf1+Vf2+Vf3+Vf4=1.82V；综上可知： l 串联端接时，发射端在接收到信号回波之前，其电压等于发射端内阻与发射端连接的特征阻抗的分压； l 串联端接时，发射端电压在接收到反射波之后才会提高至发射源电压； l 发射端台阶的时间宽度等于信号路径延时的2倍； 3 为什么并联端接时，源端信号无台阶使用并联端接时，信号发射端不会出现像串联端接时的台阶现象，但信号幅值会与发射源有所差异。原因是：并联端接时，发射端输出信号会与发射端直接连接的特征阻抗发生分压，而由于末端进行了并联端接，故消除了1次反射，发射端信号幅值不会提升。图14 并联端接时，源端输出电压比理论电压低使用ADS2016进行仿真，仿真环境如图15所示，即： l 末端高阻（开路）； l 一端微带线，阻抗50ohm，长度3000mil； l 源端内阻20ohm，并联端接电阻50ohm至Vcc/2；图15 并联端接仿真原理图当末端端接至GND时，Vin6处初始电压值为Vin6=VRz/(R11+Rz)=1.429V，如图16所示。图16 并联端接至GND 当并联端接电阻修改为20ohm时，Vin6处初始电压值如图17所示，1ns之前，Vin6=1.929V，1ns之后由于信号反射，波形出现震荡。该电阻的计算方式为： 1) 发射端信号输出之前，Vin6’=VdcR11/（R11+R10）=0.5V（传输线的Rdc=0ohm）； 2) 发射端信号输出时，发射信号在Vin6处发生分压，Vin6’’= VRz/(R11+Rz)=1.429V，故Vin6=Vin’+Vin’’=1.929V；图17 端接电阻修改为20ohm时Vin6电压波形综上可知： l 并联端接时，发射端在接收到信号回波之前，其电压等于发射端内阻与发射端连接的特征阻抗的分压（若存在上拉，则需考虑上拉电源的分压）； l 并联端接时，若末端阻抗完全匹配，则发射端电压会一直维持在同一电平，该电平即为上一结论中的电平值； l 并联端接与串联端接在信号发送时的阻抗和分压特性本质上相同，不同的是：串联端接受一次反射影响，信号会存在一个抬高的过程；并联端接消除了一次反射，故不存在信号抬高的过程； 4 为什么信号接收端有回沟* 图18 接收端信号回沟波形在测试DDR时经常会发现接收端测试的波形会如图18所示，存在较大的回沟，从而导致不单调。该问题的原因是：信号链路中的寄生电容、寄生电感以及器件焊盘和器件die寄生电容、寄生电感对信号质量造成了影响。使用ADS2016进行仿真，仿真环境如图19所示，即： l 末端高阻（开路）； l 一端微带线，阻抗50ohm，中间长度6000mil，末端长度300mil； l 源端内阻20ohm，发送1GHz/2V方波，并联端接电阻50ohm至Vcc/2；图19 信号接收端回沟问题仿真原理图使用Turning工具，将C1、L1设置为0.5pF~10pF、0.5nH~10nH范围，step设置为0.5。图20 C1和L1的Turning界面图21 C1=0.5pF，L1=0.5nH时接收端波形当C1=0.5pF，L1=0.5nH时，接收端接收的波形信号质量较好，如图21所示。当将调整为C1=2.5pF，L1=0.5nH时，接收端波形如图22所示。图22 C1=2.5pF，L1=0.5nH时接收端波形当将调整为C1=2.5pF，L1=2nH时，接收端波形如图23所示。图23 C1=2.5pF，L1=2nH时接收端波形当将调整为C1=0.5pF，L1=2nH时，接收端波形如图24所示。图24 C1=0.5pF，L1=2nH时接收端波形当将调整为C1=3.5pF，L1=3.5nH时，接收端波形如图25所示，可以看出，信号已经恶化到无法被正常识别。图25 C1=3.5pF，L1=3.5nH时接收端波形当无寄生电容、寄生电感时，分析末端端接电阻对接收端信号质量的影响，原理图如图26所示。图26 链路中无寄生电感、无寄生电容时的仿真原理图当端接电阻R10=5ohm和100ohm时的，接收端的信号波形分别如图27、28所示。可以看出，虽然由于阻抗不匹配导致反射较大，但并不存在回沟现象。图27 无寄生电容、寄生电感时，R10=5ohm时接收端信号波形图28 无寄生电感和寄生电容时，R10=100ohm时接收端波形综上仿真结果： l 信号接收端出现信号回沟问题的主要原因是走线和封装、die等寄生电感、寄生电容造成； l 当die或封装寄生电容较大时，接收端波形存在比较深的回沟； l 当走线或封装寄生电感比较大时，接收端波形存在比较多的震荡； l 高速信号应严格控制走线、封装连接处的寄生电感和寄生电容，需关注绕线方式、过孔多少；参考资料： l 高速先生——信号反射 5
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